Nghiên cứu phát triển giải pháp định vị vệ tinh GPS phối hợp với các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÂM HOÀNG HẢI NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS PHỐI HỢP VỚI CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG NGÀNH KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TẠ HẢI TÙNG Hà Nội – 2015 QUYẾT ĐỊNH GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thông tin học viên Họ tên học viên: LÂM HOÀNG HẢI MSHV: CB130031 Lớp: 13B MTTT Khóa: 2013B Nghành: Kỹ thuật Máy tính Truyền thông Điện thoại liên lạc: +84 983677098 Email: lamhoanghai1976@gmail.com Luận văn đƣợc thực tại: Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Thời gian làm Luận văn: Từ ngày 29/4/2014 đến 31/3/2015 Mục đích nội dung Luận văn Mục đích Luận văn nghiên cứu qui trình phối hợp thu GPS với mạng truyền thông để cải thiện chất lƣợng định vị thu hoạt động môi trƣờng bất lợi, tín hiệu GPS yếu bị che khuất Luận văn trình bày vấn đề liên quan đến phƣơng pháp hỗ trợ cho định vị A-GPS theo chuẩn SUPL Đây chuẩn dùng để phát triển hệ thống hỗ trợ định vị A-GPS hạ tầng mạng IP (Internet Protocol) Từ phân tích để đƣa mô hình hỗ trợ định vị điều kiện máy thu không nhìn thấy vệ tinh GPS Các nhiệm vụ cụ thể Luận văn Để đạt đƣợc mục đích trên, Luận văn tập trung vào thực nhiệm vụ cụ thể nhƣ sau: - Nghiên cứu tổng quan hoạt động hệ thống GPS phƣơng pháp hỗ trợ định vị A-GPS theo chuẩn SUPL - Triển khai cài đặt ứng dụng mã nguồn mở Tajuma tìm hiều Server cung cấp thông tin cho thu GPS - Thử nghiệm, đánh giá kết đạt đƣợc - Đề xuất hƣớng phát triển luận văn Lời cam đoan học viên Tôi –Lâm Hoàng Hải– cam kết Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ công trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Tạ Hải Tùng Các kết nêu Luận văn trung thực, chép toàn văn công trình khác Nội dung trích dẫn trung thực Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Luận văn Lâm Hoàng Hải Xác nhận giáo viên hƣớng dẫn mức độ hoàn thành LVTN cho phép bảo vệ Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Giáo viên hƣớng dẫn PGS.TS Tạ Hải Tùng TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nội dung luận văn tốt nghiệp bao gồm 03 chƣơng đƣợc trình bày nhƣ sau: CHƢƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Vấn đề môi trƣờng định vị 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống định vị GPS 1.1.2 Môi trƣờng định vị ngày 1.2 Các giải pháp 1.2.1 Các giải pháp hỗ trợ định vị GPS 1.2.2 Giải pháp A-GPS CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 2.1.1 Cấu trúc hệ thống GPS 2.1.2 Ứng dụng hệ thống GPS 2.2 Kiến trúc thu GNSS 2.2.1 Tổng quan Kiến trúc thu GNSS 2.2.2 Dò tín hiệu (Acquisition) 2.3 Giới thiệu A-GPS chuẩn SUPL 2.3.1 Assited GPS 2.3.2 Chuẩn SUPL hỗ trợ định vị 2.3.3 Giao thức Radio Resource LCS (Location Service) Protocol CHƢƠNG TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM 3.1 Tìm hiểu phần mềm mã nguồn mở Tajuma 3.1.1 Tổng quan Tajuma 3.1.2 Supl-client 3.1.3 Supl-proxy 3.2 Cài đặt triển khai hệ thống 3.2.1 Cài đặt khai hệ thống hỗ trợ định vị Tajuma 3.2.2 Triển khai supl-client 3.2.3 Triển khai supl-proxy 3.3 Kịch thử nghiệm 3.3.1 Kịch 1: Thu tín hiệu vệ tinh GPS khu vực không bị che khuất 3.3.2 Kịch 2: Thu tín hiệu vệ tinh GPS khu vực bị che khuất 3.3.3 Kịch 3: Bộ thu đƣợc cung cấp thông tin số hiệu vệ tinh KẾT LUẬN LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tác giả Luận văn xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Tạ Hải Tùng quan tâm định hƣớng tạo điều kiện giúp đỡ học viên hoàn thành Luận văn Tác giả Luận văn xin gửi lời cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm NAVIS, cán Trung tâm NAVIS, Trƣờng Đại học BKHN thầy cô Viện Công nghệ Thông tin Truyền thông trang bị kiến thức tảng suốt trình rèn luyện học tập học viên Tác giả Luận văn xin gửi lời cảm ơn Th.S Nguyễn Thị Thanh Tú cán Trung Tâm NAVIS, tác giả nghiên cứu trƣớc cung cấp cho tác giả Luận văn tài liệu tham khảo có giá trị Cuối cùng, tác giả Luận văn xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè ngƣời thân hỗ trợ động viên tác giả trình thực Luận văn TÁC GIẢ LUẬN VĂN Lâm Hoàng Hải MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG 10 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 11 LỜI MỞ ĐẦU 13 CHƢƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 14 1.1 Vấn đề môi trƣờng định vị 14 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống định vị GPS 14 1.1.2 Môi trƣờng định vị ngày 15 1.2 Các giải pháp 15 1.2.1 Các giải pháp hỗ trợ định vị GPS 15 1.2.2 Giải pháp A-GPS 18 1.3 Tổng kết 19 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 Tổng quan hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 20 2.1.1 Cấu trúc hệ thống GPS 21 2.1.2 Ứng dụng hệ thống GPS 23 2.2 Kiến trúc thu GNSS 25 2.2.1 Tổng quan Kiến trúc thu GNSS 25 2.2.2 Dò tín hiệu (Acquisition) 25 2.3 Giới thiệu A-GPS chuẩn SUPL 34 2.3.1 Assited GPS 34 2.3.2 Chuẩn SUPL hỗ trợ định vị vệ tinh 40 2.3.3 Giao thức Radio Resource LCS (Location Service) Protocol 47 2.4 Tổng kết 49 CHƢƠNG TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM 50 3.1 Phần mềm mã nguồn mở Tajuma 50 3.1.1 Tổng quan 50 3.1.2 Supl-client 51 3.1.3 Supl-proxy 52 3.2 Cài đặt triển khai hệ thống 53 3.2.1 Cài đ ặt khai hệ thống hỗ trợ định vị Tajuma 53 3.2.2 Triển khai supl-client 53 3.2.3 Triển khai supl-proxy 57 3.3 Kịch thử nghiệm 58 3.3.1 Kịch 1: Thu tín hiệu vệ tinh GPS khu vực không bị che khuất 58 3.3.2 Kịch 2: Thu tín hiệu vệ tinh GPS khu vực bị che khuất 64 3.3.3 Kịch 3: Bộ thu đƣợc cung cấp thông tin số hiệu vệ tinh 71 3.4 Tổng kết 74 KẾT LUẬN 75 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mô hình thu đa kênh thu nhiều tín hiệu từ vệ tinh GNSS 15 Hình 1.2: Sơ đồ thực dịch vụ hỗ trợ Multi-GNSS 16 Hình 1.3: Mô hình hoạt động giải pháp GBAS 17 Hình 1.4: Mô hình thực dịch vụ hỗ trợ WAAS 17 Hình 2.1: Mô tả hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS [2] 21 Hình 2.2: Các thành phần hệ thống GPS [2] 21 Hình 2.3: Hệ thống vệ tinh GPS 22 Hình 2.4: Mạng lƣới trạm giám sát điều khiển trung tâm hệ thống GPS 23 Hình 2.5: Kiến trúc thu GNSS thông thƣờng [1] 25 Hình 2.6: Kiến trúc trình khai phá tín hiệu [1] 26 Hình 2.7: Không gian tìm kiếm trình khai phá tín hiệu với vệ tinh [1 ] 27 Hình 2.8: Đồ thị chiều hàm CAF tìm thấy vệ tinh 28 Hình 2.9: Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm [5] 29 Hình 2.10: Đầu từ thuật toán tìm kiếm 30 Hình 2.11: Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm song song miền tần số [5] 30 Hình 2.12: Giải điều chế mã PRN [5] 31 Hình 2.13: Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm code phase song song [5] 32 Hình 2.14: Một số phƣơng pháp phối hợp sau tƣơng quan [1] 33 Hình 2.15: Hệ thống A-GPS 36 Hình 2.16: Mô hình Server tham chiếu 37 Hình 2.17: Kiến trúc hệ thống SUPL [10] 42 Hình 2.18 : Cơ chế hoạt động proxy-mode [10] 43 Hình 2.19: Cơ chế hoạt động non-proxy mode [10] 44 Hình 2.20: Kịch SET khởi tạo SLP hoạt động chế độ proxy [10] 46 Hình 3.1: Mô hình kiến trúc hệ thống Server hỗ trợ A-GPS 51 Hình 3.2: Kết Server google trả supl-client 54 Hình 3.3: Các thông số Almanac Server trả supl-client 55 Hình 3.4: Kết trả số hiệu vệ tinh kết nối tới Server A-GPS 56 Hình 3.5: Kết vệ tinh kiểm tra phần mềm Orbitron 3.71 56 Hình 3.6: Mô hình triển khai Kịch 59 Hình 3.7: Địa điểm triển khai thu liệu cho Kịch 59 Hình 3.8: Các vệ tinh GPS thu đƣợc liệu chƣa tăng độ nhạy 60 Hình 3.9: Các vệ tinh GPS thu đƣợc liệu tăng độ nhạy 61 Hình 3.10: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc chƣa tăng độ nhạy 63 Hình 3.11: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc tăng độ nhạy 63 Hình 3.12: Thời gian thực dò liệu liệu không bị che khuất 64 Hình 3.13: Mô hình triển khai Kịch 65 Hình 3.14: Địa điểm triển khai thu liệu cho Kịch 65 Hình 3.15: Các vệ tinh GPS thu đƣợc liệu chƣa tăng độ nhạy 66 Hình 3.16: Các vệ tinh GPS thu đƣợc liệu tăng độ nhạy 68 Hình 3.17: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc chƣa tăng độ nhạy 70 Hình 3.18: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc tăng độ nhạy 70 Hình 3.19: Thời gian thực dò liệu liệu bị che khuất 71 Hình 3.20: Mô hình triển khai Kịch 71 Hình 3.21: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc chƣa có thông tin A-GPS 73 Hình 3.22: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc có thông tin từ A-GPS 73 Hình 3.23: So sánh thời gian thực dò liệu trƣờng hợp khác 74 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Mô tả tin thuộc nhóm Lup Location Service Management [10] 45 Bảng 2-2: Mô tả tin thuộc nhóm Lup Positionng Determination [10] 45 Bảng 2-3: Các trƣờng liệu GPS Assisted Data [10] 48 Bảng 3-1: Bảng thông số Almanac Server cung cấp 55 Bảng 3-2: Bảng so sánh số lƣợng PRN tìm thấy kết nối với Server A-GPS 57 10 đặt máy tính), địa điểm thu sân nhà C1 (Quảng trƣờng sân), trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội môi trƣờng lí tƣởng, không bị che khuất Sử dụng chƣơng trình dò tín hiệu Acquisition dùng phƣơng pháp phối hợp không cố kết sau tƣơng quan để xác định tín hiệu vệ tinh thu đƣợc Đánh giá độ nhạy dò tín hiệu Acquisition với giá trị thời gian cố kết khác (tham số M công thức (2.9)) Với Trƣờng hợp đặt độ nhạy M=1 Trƣờng hợp đặt độ nhạy M=10 chƣơng trình Acquisition viết Đánh giá: - Trong hai Trƣờng hợp chƣơng trình Acquisition khai phá liệu dò tìm thu đƣợc 06 vệ tinh GPS vệ tinh [4, 7, 17, 22, 24, 28] Nhƣng thời gian thực khác nhau, với Trƣờng hợp đặt độ nhạy M=1 thời gian tính toán 12.6126 giây, với Trƣờng hợp đặt độ nhạy M=10 thời gian tính toán 51.2067 giây - Thời gian thực Trƣờng hợp nhanh Trƣờng hợp khoảng lần, Trƣờng hợp phải tính toán lâu với độ nhạy gấp 10 lần Trƣơng hợp - Đồ thị không gian ba chiều vệ tinh thu đƣợc Trƣờng hợp với nhạy M=1 nên có giá trị tƣơng quan nhỏ, nhiễu cao Hiện tƣợng chƣơng trình Acquisition thực lần dò tìm liệu đƣợc; Trƣờng hợp đặt độ nhạy M=10 chƣơng trình Acquisition sử dụng phƣơng pháp phối hợp không cố kết sau tƣơng quan, lấy kết tổng trị tuyệt đối lần dò tìm Do kết thu đƣợc đồ thị không gian ba chiều vệ tinh có nhiễu thấp, đỉnh tƣơng quan cao đáng kể so với Trƣờng hợp - Đồ thị Hình 3.8 Hình 3.9 đồ thị không gian ba chiều vệ tinh [4, 7, 17, 22, 24, 28] tầm nhìn thấy máy thu, trục thể tham số nhƣ sau: + Trục Doppler shift (Hz): Hiển thị tần số thu, máy thu biết đƣợc Doppler shift (độ dịch doppler) tính toán đƣợc tần số thu, biết đƣợc tần số thu đồng nghĩa với việc biết đƣợc mã giả ngẫu nhiên PRN, biết đƣợc mã PRN biết đƣợc số hiệu vệ tinh GPS + Trục Delay (samples): Hiển thị độ trễ mã trải phổ (độ trễ độ trễ đƣợc tính từ vệ tinh GPS phát tín hiệu đến thời điểm máy thu thu đƣợc tín hiệu 62 vệ tinh GPS phát ra), từ độ trễ thu tính đƣợc thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh GPS tới máy thu + Trục Correlation values: Mô tả giá trị tƣơng quan, trƣờng hợp thu tín hiệu GPS thu đƣợc 03 vệ tinh [4, 7, 17, 22, 24, 28] có xuất đỉnh vệ tinh Ngƣợc lại, số vệ tinh không tầm nhìn thấy không xuất đỉnh chƣơng trình Acquisition đặt ngƣỡng để loại bỏ trƣờng hợp mà thu không thu đƣợc tín hiệu từ vệ tinh GPS  So sánh hai kết sau xử lý: - Trƣờng hợp 1: Trong điều kiện không bị che khuất, đặt độ nhạy M= phần mềm Acquisition, dò đƣợc 06 vệ tinh GPS [4, 7, 17, 22, 24, 28] liệu thu nhƣng nhiễu cao, có 02 vệ tinh [7, 22] không nhìn rõ đỉnh Correlation values 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 PRN Hình 3.10: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc chƣa tăng độ nhạy - Trƣờng hợp 2: Đặt tăng độ nhạy M= 10 phần mềm Acquisition, số lƣợng vệ tinh GPS nhìn thấy 06 vệ tinh [4, 7, 17, 22, 24, 28] không thay đổi, nhƣng đỉnh xuất hiệu rõ nét Correlation values 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 PRN Hình 3.11: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc tăng độ nhạy 63  Thời gian tính toán: - Trƣờng hợp 1: Đặt độ nhạy M=1, thời gian tính toán là: 12.6126 giây Thời gian thực (giây) - Trƣờng hợp 2: Đặt độ nhạy M=10, thời gian tính toán là: 51.2067 giây 60 51.2067 50 40 30 20 12.6126 10 M= 10 M= Hình 3.12: Thời gian thực dò liệu liệu không bị che khuất 3.3.2 Kịch 2: Thu tín hiệu vệ tinh GPS khu vực bị che khuất 3.3.2.1 Mục đích - Thu 01 tín hiệu tần số L1 từ vệ tinh GPS thu GNSS Frontend Maxim - Thử nghiệm hoạt động thu môi trƣờng bị can nhiễu, che khuất; đánh giá khả khai phá tín hiệu chƣơng trình Acquisition thời gian thực khai phá liệu - Áp dụng phần mềm Acquisition sử dụng phƣơng pháp phối hợp không cố kết sau tƣơng quan để xác định tín hiệu vệ tinh thu đƣợc Đánh giá độ nhạy dò tín hiệu Acquisition với giá trị thời gian cố kết khác (tham số M công thức [2.9]) 3.3.2.2 Nội dung triển khai  Mô hình triển khai Kịch 2: 64 Frontend Cài đặt chương trình: Acquisition, Drive Frontend Maxim Hình 3.13: Mô hình triển khai Kịch Bộ thu GNSS Trung tâm Navis (Frontend Maxim, ăng ten GPS phần mềm drive thu Maxim cài đặt máy tính) để thu tín hiệu từ vệ tinh GPS Sử dụng chƣơng trình Acquisition để khai phá tín hiệu, tính toán thời gian thực  Địa điểm triển khai: Tại sân nhà C2 (dƣới gốc xoài cổ thụ), trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Ăng ten thu Frontend Maxim Hình 3.14: Địa điểm triển khai thu liệu cho Kịch - Bộ thu GNSS Trung tâm Navis (Frontend Maxin, ăng ten GPS phần mềm drive thu Maxim cài đặt máy tính) 65 - Sử dụng chƣơng trình Acquisition để dò tín hiệu 3.3.2.3 Kết Thu đƣợc 01 tín hiệu tần số L1 từ vệ tinh GPS (realtestc2.bin dung lƣợng 203 MB) - Trƣờng hợp 1: Đặt độ nhạy M= 1, dò tìm đƣợc 03 vệ tinh GPS [27, 31, 32]; không đủ điều kiện để định vị Correlation values PRN 27 Doppler shift (Hz) Delay (samples) PRN 31 Correlation values Correlation values PRN 32 Doppler shift (Hz) Doppler shift (Hz) Delay (samples) Delay (samples) Hình 3.15: Các vệ tinh GPS thu đƣợc liệu chƣa tăng độ nhạy  Phân tích đánh giá Hình 3.15: Đồ thị không gian ba chiều Hình 3.15 kết thực tính tƣơng quan đầu vào đầu chƣơng trình Acquisition mô Matlab - Dữ liệu đầu vào 01 tín hiệu GPS tần số L1 (realtestc2.bin dung lƣợng 203 MB) thu đƣợc từ vệ tinh GPS thu GNSS Trung tâm Navis (Frontend Maxim, ăng ten GPS phần mềm drive thu Maxim cài đặt máy tính), địa điểm thu sân nhà C2 (dƣới gốc xoài cổ thụ) trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội môi trƣờng bị che khuất tán xoài 66 - Sử dụng chƣơng trình dò tín hiệu Acquisition dùng phƣơng pháp phối hợp không cố kết sau tƣơng quan để xác định tín hiệu vệ tinh thu đƣợc Đánh giá độ nhạy dò tín hiệu Acquisition với giá trị thời gian cố kết khác (tham số M công thức (2.9)) Kịch đặt độ nhạy M=1 chƣơng trình Acquisition viết Matlab, với M=1 chƣơng trình khai phá liệu liệu 01 lần Đánh giá: - Kết thu đƣợc 03 vệ tinh GPS vệ tinh [27, 31 32], với kết không đủ điều kiện để định vị - Các vệ tinh thu đƣợc trƣờng hợp có giá trị tƣơng quan nhỏ, nhiễu cao Hiện tƣợng liệu đƣợc thu môi trƣờng bị che khuất tán xoài, lƣợng tín hiệu yếu trƣờng hợp sử dụng thu có cấu hình độ nhạy thấp - Đồ thị Hình 3.15 đồ thị không gian ba chiều vệ tinh [27, 31 32] tầm nhìn thấy máy thu, trục thể tham số nhƣ sau: + Trục Doppler shift (Hz): Hiển thị tần số thu, máy thu biết đƣợc Doppler shift (độ dịch doppler) tính toán đƣợc tần số thu, biết đƣợc tần số thu đồng nghĩa với việc biết đƣợc mã giả ngẫu nhiên PRN, biết đƣợc mã PRN biết đƣợc số hiệu vệ tinh GPS + Trục Delay (samples): Hiển thị độ trễ mã trải phổ (độ trễ độ trễ đƣợc tính từ vệ tinh GPS phát tín hiệu đến thời điểm máy thu thu đƣợc tín hiệu vệ tinh GPS phát ra), từ độ trễ thu tính đƣợc thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh GPS tới máy thu + Trục Correlation values: Mô tả giá trị tƣơng quan, trƣờng hợp thu tín hiệu GPS thu đƣợc 03 vệ tinh [27, 31 32] có xuất đỉnh vệ tinh Ngƣợc lại, số vệ tinh không tầm nhìn thấy không xuất đỉnh chƣơng trình Acquisition đặt ngƣỡng để loại bỏ trƣờng hợp mà thu không thu đƣợc tín hiệu từ vệ tinh GPS - Trƣờng hợp 2: Đặt tăng độ nhạy M= 10, dò tìm đƣợc 06 vệ tinh GPS [ 8, 16, 23, 27, 31, 32] 67 PRN 16 Correlation values Correlation values PRN Doppler shift (Hz) Doppler shift (Hz) Delay (samples) Delay (samples) PRN 27 Correlation values Correlation values PRN 23 Doppler shift (Hz) Doppler shift (Hz) Delay (samples) Delay (samples) PRN 32 Correlation values Correlation values PRN 31 Doppler shift (Hz) Doppler shift (Hz) Delay (samples) Delay (samples) Hình 3.16: Các vệ tinh GPS thu đƣợc liệu tăng độ nhạy  Phân tích đánh giá Hình 3.16: Đồ thị không gian ba chiều Hình 3.16 kết thực tính tƣơng quan đầu vào đầu chƣơng trình Acquisition mô Matlab - Dữ liệu đầu vào 01 tín hiệu GPS tần số L1 (realtestc2.bin dung lƣợng 203 MB) thu đƣợc từ vệ tinh GPS thu GNSS Trung tâm Navis (Frontend Maxin, ăng ten GPS phần mềm drive thu Maxim cài đặt 68 máy tính), địa điểm thu sân nhà C2 (dƣới gốc xoài cổ thụ) trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội môi trƣờng bị che khuất tán xoài - Áp dụng phần mềm Acquisition sử dụng phƣơng pháp phối hợp không cố kết sau tƣơng quan để xác định tín hiệu vệ tinh thu đƣợc Đánh giá độ nhạy dò tín hiệu Acquisition với giá trị thời gian cố kết khác (tham số M công thức (2.9)) Trong kịch đặt độ nhạy M=10 chƣơng trình Acquisition viết Matlab, với M=10 chƣơng trình khai phá liệu liệu 10 lần, thực điều có kết khả quan với trƣờng hợp đặt độ nhạy M=1 Đánh giá: - Thu đƣợc 06 vệ tinh GPS vệ tinh sau: [8, 16, 23, 27, 31 32] đủ điều kiện để định vị - Các vệ tinh thu đƣợc trƣờng hợp có nhiễu thấp, giá trị tƣợng quan lớn trƣờng hợp 1, đặt lại độ nhạy cao cho máy thu, trƣờng hợp đặt độ nhạy M=10 - Đồ thị Hình 3.16 đồ thị không gian ba chiều vệ tinh [8, 16, 23, 27, 31 32] tầm nhìn thấy máy thu, trục thể tham số nhƣ sau: + Trục Doppler shift (Hz): Hiển thị tần số thu, máy thu biết đƣợc Doppler shift (độ dịch doppler) tính toán đƣợc tần số thu, biết đƣợc tần số thu đồng nghĩa với việc biết đƣợc mã giả ngẫu nhiên PRN, biết đƣợc mã PRN biết đƣợc số hiệu vệ tinh GPS + Trục Delay (samples): Hiển thị độ trễ mã trải phổ (độ trễ độ trễ đƣợc tính từ vệ tinh GPS phát tín hiệu đến thời điểm máy thu thu đƣợc tín hiệu vệ tinh GPS phát ra), từ độ trễ thu tính đƣợc thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh GPS tới máy thu + Trục Correlation values: Mô tả giá trị tƣơng quan, trƣờng hợp thu tín hiệu GPS thu đƣợc 06 vệ tinh [8, 16, 23, 27, 31 32] có xuất đỉnh 06 vệ tinh Ngƣợc lại, số vệ tinh không tầm nhìn thấy không xuất đỉnh, chƣơng trình Acquisition đặt ngƣỡng để loại bỏ trƣờng hợp mà thu không thu đƣợc tín hiệu từ vệ tinh GPS  So sánh hai kết sau xử lý: 69 Trong kịch thực dò tìm tín hiệu liệu thu đƣợc khu vực bị che khuất bóng xoài cổ thụ trƣớc sân nhà C2 trƣờng ĐH Bách khoa Hà Nội - Trƣờng hợp 1, thực dò tìm tín hiệu với cấu hình độ nhạy thấp (M=1), dò tìm đƣợc 03 vệ tinh GPS [8, 31, 32] với nhiễu cao lƣợng tín hiệu yếu, không đủ điều kiện để định vị Trong điều kiện máy thu bị che khuất môi trƣờng thu lƣợng tín hiệu bị yếu suy hao qua tán Điều ảnh hƣởng nhiều tới khả xử lý máy thu Correlation values 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 PRN Hình 3.17: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc chƣa tăng độ nhạy - Trƣờng hợp 2, thực dò tìm tín hiệu với cấu hình độ nhạy cao (M=10), dò tìm đƣợc 06 vệ tinh GPS [8, 16, 23, 27, 31, 32] với nhiễu thấp, giá trị tƣơng quan cao Với cấu hình có độ nhạy cao chƣơng trình dò tìm tín hiệu sử dụng phƣơng pháp phối hợp không cố kết sau tƣơng quan dò tìm liệu 10 lần cộng trị tuyệt đối kết dò tìm qua lần dò tìm tín hiệu lại để có đƣợc kết khả quan Kết cho thấy vệ tinh có nhiễu nhỏ đỉnh tƣơng quan có tăng lên đáng kể so với Trƣờng hợp Correlation values 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 PRN Hình 3.18: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc tăng độ nhạy 70  Thời gian tính toán: - Trƣờng hợp 1: Đặt M=1, thời gian tính toán là: 21.0815 giây - Trƣờng hợp 2: Đặt M=10, thời gian tính toán là: 79.2106 giây Thời gian thực (giây) 90 79.2106 80 70 60 50 40 30 20 21.0815 10 M= 10 M= Hình 3.19: Thời gian thực dò liệu liệu bị che khuất 3.3.3 Kịch 3: Bộ thu cung cấp thông tin số hiệu vệ tinh 3.3.3.1 Mục đích Bộ thu kết nối tới Server A-GPS lấy thông tin hỗ trợ mà thu yêu cầu Server A-GPS trả về, thực nhƣ Mục (3.1.2) Kịch Acquisition vệ tinh nằm danh sách nhìn thấy, đƣợc cung cấp Server A-GPS 3.3.3.2 Nội dung triển khai - Sơ đồ triển khai Kịch 3: Trạm thu data Internet 3G, 4G, wi-fi Frontend Server A-GPS (Nokia Google) Proxy Hình 3.20: Mô hình triển khai Kịch 71 - Kịch này, sử dụng lại liệu Kịch (realtestc2.bin dung lƣợng 203 MB) Sử dụng chƣơng trình Acquisition để dò tín hiệu 3.3.3.3 Kết - Trƣờng hợp 1: Thực Acquisition, dò tìm (duyệt từ vệ tinh 1-32, đặt độ nhạy M= 10) với liệu thu, thu đƣợc 06 vệ tinh GPS [8, 16, 23, 27, 31, 32]; thời gian tính toán là: 79.2106 giây - Trƣờng hợp 2: Lấy mã PRN đƣợc cung cấp Server A-GPS [3, 4, 8, 9, 14, 16, 23, 27, 31, 32] (và chạy chƣơng trình Orbitron 3.71 để kiểm tra số lƣợng vệ tinh khu vực thu thu), thu đƣợc 06 vệ tinh GPS [8, 16, 23, 27, 31, 32]; thời gian tính toán là: 32.1368 giây  Phân tích đánh giá Kịch 3: - Với Kịch thông thƣờng thu không cần gửi yêu cầu thông tin hỗ trợ đến Server A-GPS trƣờng hợp thu nhận đủ số lƣợng vệ tinh để định vị (06 vệ tinh GPS) - Trong trƣờng hợp thu vị trí bất lợi nhƣ khu vực bị che khuất, can nhiễu mà thu không thu đƣợc đủ số lƣợng vệ tinh GPS (04 vệ tinh) để định vị Thì thu gửi thông tin yêu cầu hỗ trợ tới Server A-GPS qua đƣờng internet (trong mô hình triển khai kịch máy tính đóng vai trò nhƣ máy thu) gửi yêu cầu hỗ trợ thông tin định vị tới Server A-GPS Sau nhận đƣợc thông tin yêu cầu hỗ trợ Server A-GPS gửi tin hỗ trợ cho thu, tin thƣờng có tham số nhƣ (Reference Location, Reference Time, Ionospheric Model, UTC Model, Ephemeric, PRN) để thu tính vị trí Đây qui trình thực triển khai Supl-Client (Mục 3.2.2) kết nối thu với Server A-GPS  So sánh hai kết sau xử lý: - Trƣờng hợp 1: Trong điều kiện không đƣợc cung cấp thông tin hỗ trợ từ Server A-GPS thu đƣợc 06 vệ tinh GPS [8, 16, 23, 27, 31, 32] 72 Correlation values 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 PRN Hình 3.21: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc chƣa có thông tin A-GPS - Trƣờng hợp 2: Trong điều kiện đƣợc cung cấp mã PRN [3, 4, 8, 9, 14, 16, 23, 27, 31, 32] từ Server A-GPS thu đƣợc 06 vệ tinh GPS [8, 16, 23, 27, 31, 32] Correlation values 3 16 22 23 25 27 31 32 PRN Hình 3.22: Biểu đồ số lƣợng vệ tinh thu đƣợc có thông tin từ A-GPS - Thời gian thực hiện: Thời gian thực dò tín hiệu thu nhận đƣợc số hiệu vệ tinh (PRN) từ Server A-GPS 32.1368 giây; thời gian thực dò tín hiệu không đƣợc cấp số hiệu vệ tinh Kịch (duyệt từ 1- 32 vệ tinh) 79.2106 giây 73 Thời gian thực (giây) 90 79.2106 80 70 60 50 40 30 32.1368 20 10 A-GPS Không cung cấp PRN Hình 3.23: So sánh thời gian thực dò liệu trƣờng hợp khác - Với kịch này, thời gian thực việc dò tín hiệu giảm khoảng 2,5 lần so với kịch dò tìm tín hiệu Kịch 2, mà thực duyệt dò tìm từ 1-32 vệ tinh - Với việc giảm thời gian dò tìm khoảng 2,5 lần kết tốt với ứng dụng đòi hỏi thời gian thực Do đó, thấy rõ đƣợc hiệu từ việc cung cấp liệu hỗ trợ cho thu từ Server A-GPS 3.4 Tổng kết Trong Chƣơng 3, tác giả Luận văn thực cài đặt chƣơng trình mã nguồn mở máy tính (triển khai module supl-client) tìm hiểu, đánh giá so sánh kết trả yêu cầu liệu hỗ trợ từ Server A-GPS; xây dựng kịch thử nghiệm, phân tích đánh giá kết thu đƣợc 74 KẾT LUẬN Trong Luận văn tác giả trình bày kiến thức nghiên cứu, tìm hiểu đƣợc hệ thống định vị GPS; hệ thống hỗ trợ định vị A-GPS theo chuẩn SUPL; hệ thống phần mềm mã nguồn mở Tajuma; mô Acquisition Matlab; chạy thử nghiệm chƣơng trình đánh giá kết thử nghiệm với hƣớng dẫn, bảo thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Tạ Hải Tùng Nghiên cứu tìm hiểu hệ thống định vị vệ tinh GPS lĩnh vực khó nhƣng thật thú vị có nhiều tiềm phát triển tƣơng lai mà với xã hội ngày phát triển ứng dụng công nghệ thông tin bƣớc hỗ trợ nhiều sống thực, ngày định vị vệ tinh GPS xuất nhiều thiết bị sử dụng hàng ngày ngƣời Luận văn bƣớc đầu tìm hiều chi tiết hoạt động hệ thống định vị vệ tinh GPS giải pháp hỗ trợ định vị vệ tinh A-GPS theo chuẩn SUPL nhƣng dùng mức minh họa chế hoạt động chuẩn SUPL Các vấn đề hoàn thành luận văn: - Nghiên cứu tổng quan vệ hệ thống định vị GPS - Nghiên cứu hệ thống hỗ trợ định vị A-GPS theo chuẩn SUPL - Nghiên cứu chế hoạt động phần mềm mã nguồn mở Tajuma - Mô Acquisition Matlab Tuy nhiên, khuân khổ Luận văn, tác giả số vấn đề mà Luận văn chƣa thể giải Luận văn chƣa xây dựng đƣợc module kết nối đến trạm thu để nhận đƣợc liệu trực thời gian thực Do vậy, chƣa đánh giá đƣợc hết hiệu hệ thống thiết bị thu Hƣớng nghiên cứu phát triển thời gian tới: xây dựng module kết nối đến trạm thu liệu Trung tâm NAVIS để lấy liệu thời gian thực cung cấp cho thiết bị thu với việc xây dựng Server có khả cung cấp liệu định vị có chức dịch vụ kèm theo để phát triển thành hệ thống cung cấp dịch vụ cho ngƣời dùng,… 75 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Tạ Hải Tùng (2010), Luận án Tiến sĩ, Acquisition Architecture for Modern GNSS Signals [2] PGS.TS Tạ Hải Tùng (2011), Slide Bộ môn truyền thông mạng máy tính, Quỹ đạo vệ tinh, thông số quỹ đạo phương pháp phóng vệ tinh [3] 3GPP Organisational Partners (2012), 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification RRC Protocol Specification [4] ASN1C Compiler, http://lionet.info/asn1c/compiler.html [5] Birkhäuser Boston (2007), A Software-Defined GPS and Galileo Receiver A Single-Frequency Approach [6] Frank van Diggelen, A-GPS: Assisted GPS, GNSS, and SBAS [7] Kai Borre, Dennis M.Akos, Nicolaj Bertelsen, Holdt Jensen, A Software-Defined GPS and Galileo Receiver [8] Kaplan (2006), Understanding GPS - Principles and Applications 2nd [9] Navstar GPS Interface Specification IS-GPS-200 revision F Technical report, Navstart GPS Joint Program Office, Sep 2011 [10] Open Mobile Alliance, http://www.openmobilealliance.org/technical/release_ program/supl_v2_0.aspx [11] Position Determination Service for cdma2000® Spread Spectrum Systems [12] Tajuma, http://www.tajuma.com/ [13] UserPlane Location Protocol Candidate Version 2.0–27 [14] Werner Gurtner- Astronomical Institute- University of Bern, RINEX -The Receiver Independent Exchange 76 ... Vấn đề môi trƣờng định vị 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống định vị GPS 1.1.2 Môi trƣờng định vị ngày 1.2 Các giải pháp 1.2.1 Các giải pháp hỗ trợ định vị GPS 1.2.2 Giải pháp A -GPS CHƢƠNG CƠ SỞ... sau: Lịch sử phát triển hệ thống định vị vệ tinh GPS; môi trƣờng định vị; giải pháp hỗ trợ định vị vệ tinh GPS Chƣơng sau, tác giả Luận văn trình bày chi tiết hệ thống định vị vệ tinh GPS ứng dụng... cung cấp giải pháp định vị cho GPS mà thu nằm vùng không nhìn thấy vệ tinh GPS Luận văn thực tìm hiểu đánh giá phƣơng pháp hỗ trợ cho định vị vệ tinh GPS phƣơng pháp hỗ trợ định vị A -GPS theo